Multifrequentiebenadering om optisch verlies te overwinnen

In dit onderzoek ontwikkelde het team een ​​nieuwe aanpak met meerdere frequenties om energieverlies bij de voortplanting van polaritonen aan te pakken. Ze gebruikten een speciaal type golf genaamd "complexe frequentiegolven" om virtuele versterking te bereiken en het verlies in een optisch systeem te compenseren. Terwijl een gewone golf in de loop van de tijd een constante amplitude of intensiteit behoudt, vertoont een complexe frequentiegolf tegelijkertijd zowel oscillatie als versterking. Deze eigenschap maakt een uitgebreidere weergave van het golfgedrag mogelijk en maakt compensatie van energieverlies mogelijk.

Hoewel frequentie doorgaans als een reëel getal wordt gezien, kan deze ook een denkbeeldig deel hebben. Dit denkbeeldige deel vertelt ons hoe de golf in de loop van de tijd sterker of zwakker wordt. Golven met een complexe frequentie met een negatief (positief) denkbeeldig deel vervallen (versterken) in de loop van de tijd. Het rechtstreeks uitvoeren van onze metingen onder de excitatie van complexe frequentiegolven in de optica is echter een uitdaging omdat hiervoor complexe tijdafhankelijke metingen nodig zijn.

Om dit te ondervangen, gebruikten de onderzoekers het wiskundige hulpmiddel Fourier Transformation om een ​​afgeknotte complexe frequentiegolf (CFW) op te splitsen in meerdere componenten met individuele frequenties.

Net zoals wanneer je aan het koken bent en een specifiek ingrediënt nodig hebt dat moeilijk te vinden is, gebruikten de onderzoekers een soortgelijk idee. Ze hebben de complexe frequentiegolven opgesplitst in eenvoudiger componenten, zoals het gebruik van vervangende ingrediënten in een recept. Elke component vertegenwoordigde een ander aspect van de golf. Het is alsof je een heerlijk gerecht creëert door vervangende ingrediënten te gebruiken om de gewenste smaak te krijgen.

Door deze componenten op verschillende frequenties te meten en de gegevens te combineren, reconstrueerden ze het gedrag van het systeem dat werd verlicht door de complexe frequentiegolf. Dit hielp hen het energieverlies te begrijpen en te compenseren. Deze aanpak vereenvoudigt de praktische implementatie van CFW's in verschillende toepassingen aanzienlijk, waaronder polaritonvoortplanting en superimaging.

Door optische metingen uit te voeren op verschillende reële frequenties met een vast interval, wordt het haalbaar om de optische respons van het systeem op een complexe frequentie te construeren. Dit wordt bereikt door de optische responsies die bij verschillende reële frequenties worden verkregen wiskundig te combineren.

Professor Qing Dai, het National Center for Nanoscience and Technology en een andere corresponderende auteur van het artikel, verklaarde dat dit werk een praktische oplossing heeft geboden om het al lang bestaande probleem van optisch verlies in nanofotonica aan te pakken.

Hij benadrukte het belang van de gesynthetiseerde complexe frequentiemethode en stelde dat deze gemakkelijk kan worden toegepast op verschillende andere toepassingen, zoals moleculaire detectie en nanofotonische geïntegreerde schakelingen. Hij benadrukte verder dat "deze methode opmerkelijk en universeel toepasbaar is, omdat deze ook kan worden gebruikt om verlies in andere golfsystemen aan te pakken, waaronder geluidsgolven, elastische golven en kwantumgolven, waardoor de kwaliteit van de beeldvorming tot ongekende niveaus wordt verbeterd." /P>

Experimentele demonstratie

Als proof of concept begon het team met de voortplanting van fononpolaritonen (PhPs) bij optische frequenties van ongeveer 1450 cm ^-1 met behulp van hBN-films. Een lange gouden antenne die op de hBN-film is geplaatst, wordt gebruikt om de 1D PhP's te lanceren. De veldverdelingen van de twee reële frequenties en de twee complexe frequenties worden respectievelijk weergegeven in figuur 2a en 2b.

De experimentele resultaten tonen aan dat, hoewel de voortplanting bij de echte frequenties sterk wordt verzwakt, de polariton bij de complexe frequenties tijdens de voortplanting vrijwel geen verval ondervindt.

Het team heeft de complexe frequentiebenadering verder toegepast om de meer gecompliceerde veldverdelingen te onderzoeken, ondersteund door een dunne film van van der Waals-kristal α-MoO₃ , dat zeer anisotroop is en natuurlijke hyperbolische polaritonen in het vlak ondersteunt.

Op de α-MoO₃ wordt een metalen antenne als excitatiebron geplaatst film zoals getoond in figuur 3a. De veldverdelingsvariatie vertoont een karakteristiek hyperbolisch voortplantingsgedrag met een concaaf golffront (zie figuur 3b).

Met de toename van de frequentie neemt de golflengte af met een sterkere veldbeperking, en ondertussen wordt de voortplanting meer verzwakt. Al deze reële frequentiegrafieken worden gecombineerd volgens de verhouding van de complexe frequentie om het complexe frequentieresultaat in figuur 3c te verkrijgen.

Het team onderzocht uiteindelijk het interferentiegedrag van PhP's met behulp van de complexe frequentiebenadering. Op de MoO₃ zijn twee ronde antennes met verschillende diameters gemaakt film om de fononpolaritonen te exciteren, zoals weergegeven in figuur 3d.

Hoewel de echte frequentiegrafieken geen duidelijke interferentieranden kunnen vertonen, zoals weergegeven in figuur 3e, kunnen de complexe frequentiegrafieken van duidelijke interferentieranden worden gesynthetiseerd na het combineren van de resultaten van verschillende reële frequenties en zoals weergegeven in figuur 3f.

Meer informatie: Fuxin Guan et al, Compensatie van verliezen bij de voortplanting van polariton met gesynthetiseerde complexe frequentie-excitatie, Natuurmaterialen (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01787-8

Journaalinformatie: Natuurmaterialen

Aangeboden door de Universiteit van Hong Kong